帶有分布參數的串聯體系地震響應分析及智能控制.pdf

1、帶分布參數的串聯體系是土木工程中常見的結構體系，比如：高壓電氣設備支架串聯結構、高層框架結構、高層框架-剪力墻結構等。由于這類串聯體系既有集中參數又有分布參數，而且集中參數與分布參數的節(jié)點又有柔性連接的情形，同時在地震作用下會產生較大的傾覆彎矩，因此在地震作用下帶分布參數的串聯體系地震響應求解、被動隔震及智能隔震比較復雜。為此本文針對帶分布參數的串聯體系地震響應求解、被動隔震及智能隔震的幾個熱點、難點問題展開研究，其中主要的工作有以下幾

2、方面：
　　 (1)首先以單節(jié)柔性節(jié)點高壓電氣設備為研究對象建立單節(jié)分布參數串聯體系的動力分析模型，通過分布參數梁振動理論，避免對結構的離散，集中參數通過邊界條件的引入，推導出其頻率方程，根據Betti定律，推導出具有單節(jié)帶分布參數柔性節(jié)點串聯體系的正交條件，應用此正交條件對集中參數與分布參數的振動方程解耦，推導出該單節(jié)帶分布參數串聯體系的廣義質量及廣義荷載，進一步通過振型疊加的方法求解結構的地震響應。仿真結果表明，該半解析法與

3、有限元法計算結果相一致，說明該半解析法的正確性。最后將上述方法應用于多節(jié)柔性節(jié)點帶分布參數串聯體系，求解多節(jié)柔性節(jié)點高壓電氣設備支架串聯體系的地震響應。
　　 (2)建立了高層剪力墻結構動力分析簡化模型，仿照推導柔性節(jié)點帶分布參數串聯體系地震響應半解析解的方法，推導出多節(jié)剛性節(jié)點帶分布參數串聯體系——高層剪力墻結構地震響應的半解析解；進一步建立了高層框架-剪力墻結構的動力分析模型，框架結構部分對整體結構的影響通過邊界條件的引入，

4、然后通過應用求解多節(jié)剛性節(jié)點帶分布參數地震響應的求解方法求解框架-剪力墻結構的地震響應。仿真結果顯示，建立的高層結構動力分析簡化模型優(yōu)于懸臂梁模型，而且本文推導的求解地震響應的半解析解是正確的及計算工作量小。
　　 (3)通過并聯橡膠隔震支座，實現以帶分布參數的高架電氣設備支架串聯體系的隔震，然后建立高架電氣設備支架串聯隔震體系的力學模型，通過串聯體系集中參數與分布參數的振動方程，推導出該串聯隔震體系的頻率方程、振型正交條件、廣

5、義質量與廣義剛度，由于該串聯隔震體系為非比例阻尼體系，通過把該串聯隔震體系的非比例阻尼分解為比例阻尼部分和非比例阻尼部分，非比例阻尼部分由隔震支座的阻尼所引起，應用Hamilton原理推導出非比例阻尼部分等效振型阻尼，從而實現該體系運動方程的解耦，通過振型疊加法進行該串聯隔震體系地震響應的求解。最后進行有限元軟件數值積分法求解的地震響應與該半解析法求解地震響應的比較，分析半解析法求解地震響應的正確性及隔震技術的有效性。
　　 (

6、4)針對以高層建筑為研究對象的帶分布參數串聯體系，研制出雙向抗拔滑動裝置，該雙向抗拔滑動裝置既能抵抗拉力又能承受壓力。將該裝置設置于隔震層較大拉力的位置，與夾層橡膠隔震墊同時使用，當高層建筑在地震作用下傾覆力矩較大時，該雙向滑動裝置可以抵抗傾覆力矩產生的拉力，使夾層橡膠隔震墊處于受壓狀態(tài)。然后建立剛性節(jié)點帶分布參數串聯隔震體系力學模型，用推導多節(jié)柔性節(jié)點帶分布參數串聯隔震體系地震響應求解的方法進行推導求解剛性節(jié)點帶分布參數串聯隔震體系地

7、震響應的半解析解。
　　 (5)針對帶分布參數的串聯體系，借用本課題組提出的序列最優(yōu)控制算法，推導出序列最優(yōu)模態(tài)控制算法，然后用該算法進行帶分布參數串聯體系的智能隔震。由于序列最優(yōu)模態(tài)控制算法振動控制時需要結構全狀態(tài)，在工程應用中難于實現，因此，提出了針對序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的全維狀態(tài)觀測器，實現在振動控制時只要測量容易測量的狀態(tài)，然后通過全維狀態(tài)觀測器重構結構的全部狀態(tài)，從而實現序列最優(yōu)模態(tài)控制算法用于帶分布參數串聯體系的振動

8、控制。由于在線實時控制過程中，結構響應測量、在線計算和驅動器響應都需要消耗時間，因此時滯是不可避免的，為了解決時滯問題，提出了將徑向基神經網絡和序列最優(yōu)模態(tài)控制算法有機結合而形成的序列最優(yōu)預測模態(tài)控制器，仿真結果表明，在無時滯與有時滯情況下該控制器的控制效率良好。
　　 (6)在雙向抗拔滑動裝置的基礎上，設計出雙向壓電變摩擦控制裝置，該控制裝置可以在兩個方向滑動產生控制力，進一步推導出該控制裝置應用于結構振動控制的半主動控制算法

9、。最后設計出一壓電變摩擦控制裝置，進行數值仿真，根據仿真結果，將該控制裝置應用于帶分布參數串聯體系的智能隔震，顯示出良好的控制效果。
　　 (7)對目前進行地震響應分析及振動控制仿真軟件Simulink作了詳細介紹，講述了Simulink仿真地震響應及振動控制的技術。講述Simulink的擴展工具——S-函數的工作原理，用Simulink/S-函數實現序列最優(yōu)模態(tài)控制算法變增益矩陣的技術，實現序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的模塊化。最后通

10、過Simulink軟件分別建立經典最優(yōu)控制算法、線性二次型高斯算法和序列最優(yōu)控制算法及基于狀態(tài)觀測器的序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的仿真模塊圖。
　　 (8)在理論研究和計算機仿真的基礎上，進行了帶分布參數體系的動力響應、隔震的掃頻振動臺試驗。設計出壓電變摩擦控制裝置，并進行力學性能試驗，然后將該控制裝置用于帶分布參數隔震體系，分別進行應用Passive-on與Passive-off算法的帶分布參數串聯隔震體系振動控制的掃頻振動臺試驗，